项目设计说明书

设计课题：高效率音频功率放大器

系    别          电气工程系          

            学生姓名   赵志军  范杨志   罗章      

              郑军良  吴万海              

指导老师    张文初   陈新喜  粟慧龙    

完成日期          2009  07             

摘  要

本系统以高效率音频功率放大器为核心，输出开关管采用高速VMOSFET管,连接成互补对称H桥式结构,最大不失真输出功率大于1W，平均效率可达到70%左右,兼有输出1:1双变单电路, 单片机实现功率测量显示电路。此外还有输出短路保护及指示、输出音量电平指示等辅助功能, 比较理想地实现了设计指标的要求。

音频放大器已经有快要一个世纪的历史了,从最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止,它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种,也是最基本的一种。为了满足它的需要,有关的音频放大器就要不断地加以改进。

高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要,在大功率的电子设备中也需要。因为,功率越大,效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善,高保真音响设备和更高挡的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中,往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时,低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。D类放大器在这些设备中也扮演了极重要的角色。

关键词： 高效率 音频 功率放大

前  言

音频放大器已经快有一个世纪的历史了，最近几年，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展。音质好、电源效率高、发热少的D类放大器成为市场的需求。并且由于D类放大器的耗电低、发热少等诸多特点，越来越得到日益强调环保的市场的认同。同时，便携电子设备的工作时间一直是厂商全力追求的最重要的性能指标，新的无滤波器D类放大器在几瓦特的功率级别上正在取代原先固定的AB类器件。与体积庞大的传统线性放大器相比，使用D类放大器并不影响音频信号的音质却能够实现便携产品的小型化，因此市场对电子产品薄型化、便携式的需求趋势造就了传统放大器向数字放大器的转化。 简单地说，历史上出现过三代D类放大器设计：

第一代的范例是由托卡塔设计的TacTMillennium，证实了D类放大器的概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。

第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的PWM信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择，音量，平衡和音制等复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放大器变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了AB类放大器，从而获得了一定的应用。

第三代是最近一段时间，现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善，他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实现准确的功率分配。通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。最后还不能忽视新的架构技术。

第一章

方案论证、比较与选择

1.1方案论证与比较

根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图1-1所示。下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。

 图1-1 系统组成框图

1.1.1高效率功率放大器

⑴ 高效率功放类型的选择

方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。这三类功放的效率均达不到题目的要求。

方案二：采用D类功率放大器。D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。理论上为100％，实际电路也可达到80％～95％，所以我们决定采用D类功率放大器。

⑵ 高效D类功率放大器实现电路的选择本题目的核心就是功率放大器部分，采用何种电路形式以达到题目要求的性能指标，这是关键。

① 脉宽调制器(PWM) 

方案一：可选用专用的脉宽调制集成块，但通常有电源电压的，不利于本题发挥部分的实现。

方案二：采用图1-2所示方式来实现。三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作，故选用此方案。

图1-2 脉宽调制器电路

② 高速开关电路

a. 输出方式

方案一：选用推挽单端输出方式(电路如图1-3所示)。电路输出载波峰-峰值不可能超过5V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。

图1-3高速开关电路

方案二：选用H桥型输出方式(电路如图1-4所示)。此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰-峰值可达10 V，有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故选用此输出电路形式。

图1-4 高速开关电路

b. 开关管的选择。为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低损耗。

方案一：选用晶体三极管、IGBT管。晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大；IGBT管的最大缺点是导通压降太大。

方案二：选用VMMOSFET管。VMOSFET管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，故选用高速VMOSFET管。

③ 滤波器的选择

方案一：采用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器。缺点是负载上的高频载波电压得不到充分衰减。

方案二：采用两个相同的四阶Butterworth低通滤波器，在保证20kHz频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。

1.1.2信号变换电路

由于采用浮动输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且增益为1。

方案一：采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。

方案二：由于功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻抗要求不高，所以可选用较简单的单运放组成的差动式减法电路来实现。

1.1.3功率测量电路

方案一：直接用A/D转换器采样音频输出的电压瞬时值，用单片机计算有效值和平均功率，原理框图如图1-5所示，但算法复杂，软件工作量大。

图 1-5 功率测量电路

方案二：由于功放输出信号不是单一频率，而是20KHz频带内的任意波形，故必须采用真有效值变换电路。此方案采用真有效值转换专用芯片，先得到音频信号电压的真有效值。再用A/D转换器采样该有效值，直接用单片机计算平均功率(原理框图如图1-6所示)，软件工作量小，精度高，速度快。 

图 1-6 功率测量电路

1.2总体方案

D类放大器的架构有对称与非对称两大类，在此讨论的D类功放针对的是对功率、体积都非常敏感的便携式应用，因此采用全电桥的对称型放大器，以充分利用其单一电源、系统小型化的特点。D类放大器一般由PWM电路、开关功放电路及输出滤波器组成，原理框图如图3所示。 

它采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的PWM电路，用输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号幅度变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。其输出电压是叠加变大的，经过低通滤波器后，仍存在较大的负载电流，特别当滤波器设计不好时，流过负载的电流就会更大，从而导致负载损耗大，降低放大器效率。

图1-4 系统组成框图

第二章 主要电路工作原理分析与计算

2.1 D类放大器的工作原理

一般的脉宽调制D类功放的的原理方框图如图 2-1所示。图 2-2为工作波形示意，其中(a)为输入信号；(b)为锯齿波与输入信号进行比较的波形；(c)为调制器输出的脉冲(调宽脉冲)；(d)为功率放大器放大后的调宽脉冲；(e)为低通滤波后的放大信号。

图2-1  D类放大器的工作原理 

图2-2  D类放大器的工作波形示意图

2.2 D类功放各部分电路分析与计算

2.2.1脉宽调制器

①三角波产生电路。该电路我们用555芯片构成三角波发生电路，如图2-3所示

本设计利用555组成的多谐振蔼器的C41充放电特性加以改进，实现C41的线性充放电获得三角波 利用QN9、QN10和R23、R24构成的恒流源对C41实现线性充电，利用QN7、QN8和R25、R26构成的恒流源实现对C41的放电。电容C41上的三角波经QN6射集跟随器输出。该振荡器的振荡频率f=0.33/（R23+R24+R25+R26）C41。我们要得到一个线性很好、频率约113KHZ、峰峰值为1.9V的三角波，将其输入到脉宽调制比较器的一个输入端。    

图2-3 三角波产生电路

②比较器。选用LM311精密、高速比较器，电路如图11所示，因供电为5V单电源，

为给V+=V-提供2.5V的静态电位，取R11=R13，R12=R21+R20，4个电阻均取100 kΩ。由于三角波Vp-p=1.9V，所以要求音频信号的Vp-p不能大于1.9V，否则会使功放产生失真。

图2-4  比较器电路

2.2.2 前置放大器电路

如图12所示。设置前置放大器，可使整个功放的增益从1～20连续可调，而且也保证了比较器的比较精度。当功放输出的最大不失真功率为1W时，其8Ω上的电压Vp-p=8V，此时送给比较器音频信号的Vp-p值应为2V，则功放的最大增益约为4（实际上，功放的最大不失真功率要略大于1W，其电压增益要略大于4）。因此必须对输入的音频信号进行前置放大，其增益应大于5。

前放仍采用宽频带、低漂移、满幅运放OP07，组成增益可调的同相宽带放大器。选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻Ri≥10kΩ的要求。同时，采用满幅运放可在降低电源电压时仍能正常放大，取V+=Vcc/2=2.5V，要求输入电阻Ri大于10kΩ，故取反馈电阻采用电位器R4，取R4=200kΩ，反相端电阻R3取10kΩ，则前置放大器的最大增益Av为

调整RP4使其Av增益约为 20，则整个功放的电压增益从 0～21 可调。

考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值Vom<2.5V，取Vom=2.0V，则要求输入的音频最大幅度Vom.<(Vom/Av)=2/20=100mV。超过此幅度则输出会产生削波失真。

图 2-5 前置放大器电路

2.2.3 驱动电路

如图2-6所示。将 PWM 信号整形变换成互补对称的输出驱动信号，用 CD40106 施密特触发器并联运用以获得较大的电流输出，送给由晶体三极管组成的互补对称式射极跟随器驱动的输出管，保证了快速驱动。驱动电路晶体三极管选用8050和8550对管。

2.2.4 H桥互补对称输出电路 

H桥互补对称输出电路对VMOSFET的要求是导通电阻小，开关速度快，开启电压小。因输出功率稍大于1W，属小功率输出，可选用功率相对较小、输入电容较小、容易快速驱动的对管，IRF540和IRF9540 VMOS对管的参数能够满足上述要求，故采用之。实际电路如图2-6所示。互补PWM开关驱动信号交替开启Q13和Q16或Q15和Q14，分别经两个4阶Butterworth滤波器滤波后推动喇叭工作。

2.2.5低通滤波器 

本电路采用4阶Butterworth低通滤波器(如图2-6)。对滤波器的要求是上限频率≥20 kHz，在通频带内特性基本平坦。

通过实验，从而得到了一组较佳的参数：L6=47μH，L7＝47μH，L8=47μH，L9=47H。19.95 kHz处下降2.4 dB，可保证20 kHz的上限频率，且通带内曲线基本平坦；100 kHz、150 kHz处分别下降48 dB、62 dB，完全达到要求。

图2-6 驱动电路、H 桥互补对称输出及低通滤波电路

2.3信号变换电路

电路要求增益为 1，将双端变为单端输出，运放选用宽带运放 NE5532，电路如图 15 所示。由于对这部分电路的电源电压不加，可不必采用价格较贵的满幅运放。由于功放的带负载能力很强，故对变换电路的输入阻抗要求不高，选Rl=R2=R3=R4=20kΩ。其增益为Av=R3/R1=20/20=1，其上限频率远超过20 kHz的指标要求。

图2-7 信号变换电路

2.4功率测量及显示电路

功率测量及显示电路由真有效值转换电路和单片机系统组成。

⑴ 真有效值转换器  选用高精度的 AD637 芯片(图 16)，其外围元件少、频带宽，精度高于0.5％。

图2-8 真有效值转换电路 

⑵ 单片机系统 本系统主要由 S5l 单片机、A/D 转换器AD7492 和键盘显示接口电路等组成。

经AD637进行有效值变换后的模拟电压信号送A/D转换器AD7492，由S51控制AD7492进行模/数转换，并对转换结果进行运算处理，最后送显示电路完成功率显示。

图2-9  A/D 转换器

第三章  系统调试

干扰在大多数情况下都不会造成硬件的损坏，但是会对软件正常运行造成不良的影响。在此处如果产生干扰，则会使输出电流不稳定，且可调范围不大，则所测的数值误差较大。

3.1 硬件抗干扰系统调试

1 造成干扰的原因分析：

（1）运放零点漂移

由于运算放大器的零点漂移，温度漂移等带来的误差，可以通过温度补偿措施来解决此误差。

（2）采样电阻自热效应引起的误差

由于电阻在温度上升时阻值会发生变化，因此会引起温度漂移，给系统带来测量的误差。

（3）A/D转换误差

受AD转换器精度及基准源稳定程度的，不可避免地带来一定的误差，为了更精确的输出恒流电源，必须选用更多位数的AD、DA芯片。

（4）因外界突发干扰或仪表显示值等引起的随机误差或粗大误差。

（5）纹波对电流输出的影响。

2 解决方案

（1）抑制干扰源

抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt>di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt 主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。我们在此处主要是在电路板上每个IC 电源端并接一个0.1μF或0.01μF 高频电容，以减小电源对IC的影响。 

（2）切断干扰传播路径

按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。

高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。我们在此基础切断干扰源采用了如下措施：

1)在信号输入端增加电压跟随器增加输入阻抗的大小。

2)注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来晶振外壳接地并固定

（3）选用为位数较高的A/D、D/A的芯片，我们在此处采用的都为十二位的芯片。

（4）采用大功率的康铜丝电阻，尽量减少电阻的热效应。

3.2 软件系统调试

系统的调试不可能完全依靠硬件来解决，也需要采取软件抗干扰措施辅之，软件抗干扰成本低，见效快，有事半功倍的效果。

本系统采取了如下的软件抗干扰措施：

1、实时屏蔽中断

为了防止发生误中断，只有在量程选择完毕并导通V/A转换电路后才开定时器T0、T1。

2、主动初始化

电压表的程序一经运行，单片机系统的各种功能、端口、方式、状态等都被初始化。主动初始化不仅要保证上电或复位后程序能够正确地实现各种初始化，而且在程序中每次测距前都要进行寄存器初始化刷新，包括内容不变的寄存器。

第四章 系统功能及指标参数

4.1系统功能

4.2 指标参数

1. 3dB通频带为300Hz～20KHz，输出正弦信号无明显失真。

　　2．最大不失真输出功率≥1W。

　　3．输入阻抗>10k，电压放大倍数1～20连续可调。

　　4．低频噪声电压（20kHz以下）≤10mv，在电压放大倍数为10，输入端对地交流短路时测量。

　　5．在输出功率500mW时测量的功率放大器效率（输出功率/放大器总功耗）≥50%。

4.3 主要数据记录

频率

第五章 总 结

在设计制作高效率音频功率放大器的过程中，我们深切体会到，理论与实践相结合的极端重要性。本系统的研制主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、电子工艺等多方面的知识，所设计的基于单片机程序控制的显示，达到了题目要求，同时也使我们的动手能力和电子设计能力得到了极大锻炼。系统输出实际测试结果表明，本系统输出波形稳定，不随环境温度变化，并具有很高的精度，输出信号无明显失真，3dB通频带为300Hz～20KHz；最大不失真输出功率≥1W。因而可实际应用于需要高效率音频功率放大器等领域。

在系统设计过程中，力求硬件电路参数合理，线路简单，发挥软件编程灵活的特点，通过多次的调试，不断提高系统的精度和电流的稳定性，来满足系统设计的要求。同时遇到了许多困难和意料之外的事情，设计进度比较慢，但通过仔细的分析和进行多方面的调整后解决了问题。我们从中体会了共同协作和团队精神的重要性和提高了自身的综合能力。

附录一 原理图

附录二 PCB板

附录三  元件清单

附件五 程序清单

/************************************

  模数转换

     12 bit AD

************************************/

#include

#include

typedef unsigned int uint;

typedef unsigned char uchar;

/*********************************

    段码

*********************************/

uchar code Table[10]={

0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,

0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};

/*********************************

    位码

*********************************/

uchar code Select[8]={

0x7f,0xbf,0xdf,0xef,

0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};

/************************************

   未用

   未用

 启动转换信号

  读忙信号

************************************/

sbit CS=P3^4;

sbit R_D=P3^5;

sbit CONVST=P3^6;

sbit BUSY=P3^7;

bit flag;//转换标志

uint Volt,Power;//实际电压 功率值

uint A[10];//AD值暂存区

/************************************

   系统初始化

************************************/

void SysInit(void)

{

}

/************************************

    转换

************************************/

uint Read_AD(void)

{

 读出的有效值

 0f;

}

/************************************

   显示函数

************************************/

void Display(uint Temp)

{

     case 0:

      P0=Table[Temp/1000]&0x7f;

      break;

     case 1:

      P0=Table[Temp%1000/100];

      break;

     case 2:

      P0=Table[Temp%100/10];

      break;

     case 3:

      P0=Table[Temp%10];

      break;

     default:

      break;

}

void main(void)

{

  启动读AD

     {

      flag=0;

      A[num]=Read_AD();

      Temp+=A[num];

      num++;

   平均值计算

      {

       V_Value=Temp/10;

       Volt=V_Value*250/4095;

       Power=Volt*Volt/80;

       num=0;

       Temp=0;

      }

     }

}

void Timer0(void) interrupt 1

{

     i=0;

     flag=1;

}

参考文献

[1童诗白，华成英．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2000，第三版

[2]马场清太郎[著]．何希才[译]．运算放大器应用电路设计．北京：科学出版社，2007，第一版

[3]杨志忠. 数字电子技术. 高等教育出版社. 2000年

[4]黄智亮.全国大学生电子设计竞赛训练教程.[M]北京:电子工业出版社,2005

[5]童长飞．单片机开发与C语言编程．北京：北京航空航天大学出版社，2005

[6]D类音频功率放大器的研究与实现http://www.21ic.com/app/ce/200902/32068.htm

[7]TI推出单片无滤波器 D 类音频功率放大器_http://www.hqew.com/file/NewsHTML/20079/2007913636116229.htm

[8]D类音频功率放大器的评估及应用_只言片语http://hi.baidu.com/haozhongtao/blog/item/8a0e2cc60fdbd2dbd00060d4.html下载本文